学生小论文：由“多利羊猜想”到“端粒学说”

在高中生物《动物细胞工程》一课中，编者在课后的“拓展视野”一栏中介绍了“多利羊猜想”。其大致内容是，多利羊在2003年2月15日离开了这个世界，它的寿命只有7岁，死因是肺部感染。为何一只应正值壮年的绵羊死于典型的“高龄病症”？多利羊的死亡引发了生物界关于克隆动物是否存在“早衰”现象的争论。多利羊的年龄是从6岁开始累计呢，还是像新生羊一样从0岁开始累计呢？这一涉及克隆动物“早衰”的问题被形象地称为“多利羊猜想”。

关于对克隆羊是否存在“早衰”现象的争论大体可分为两派：一派认为，克隆动物的端粒比较短，其基因是不正常的，克隆动物的“早衰”是一种本质现象。早在1999年，培育多利羊的罗斯林研究所的一科学研究小组就宣布，多利羊的染色体端粒的长度比同龄普通绵羊的短。另一派认为，克隆动物的遗传物质是正常的，目前发现的早衰迹象是在克隆过程中出现的一些技术问题造成的。或者克隆动物在发育中出现了变异，“早衰”只是偶然现象，也许有的变异会使得克隆动物更加长寿。不过，由于目前全世界克隆动物较少，诞生时间都不长，因此，到目前为止，这一问题尚未定论。但是，我们可以根据现有的理论基础和客观事实进行适度的猜想，然后再通过实验去验证。

我比较赞成因端粒长度的缩短而造成了克隆动物的早衰这一说法（以下简称“端粒说”）。虽然有的实验结果与说法刚好相反，例如美国科学家培育的克隆鼠，实验发现，连续几代克隆鼠的染色体端粒总是比亲代的染色体端粒长。但是已被证实的“端粒影响着细胞寿命，端粒长度与细胞寿细成正相关关系”，这一结论能支持端粒说。那么，我们可以想象一个问题，以哺乳动物为例，一个性成熟的个体其年龄基本上已经占了该种群平均年龄的1/4，其生殖细胞是从性原细胞减数分裂而来的，雌性个体的生殖细胞暂且不说，因卵细胞从胚胎有性分化时就开始发生。我们对雄性生殖细胞进行探讨，精子由精原细胞减数分裂而来，在个体性成熟前，精原细胞已经分裂，生长发育了一段时间（大约占该种群平均年龄的1/4），按照“随着细胞分裂端粒长度逐渐缩短”这一说法，在受精作用精卵结合后，合子的染色体端粒长度会比亲代胚胎时期的染色体端粒长度短，那么这个种群中子代的平均寿命会变得比亲代的平均寿命要短，这一种群就会在世代交替中因子代平均寿命的递减而消失。但是，事实并非如此，某一种群的平均年龄是不会轻易改变的。这就说明，存在一种作用可以使性原细胞中的染色体端粒长度不随细胞分裂而改变。目前已经通过实验发现，这种作用是端粒酶产生的。

端粒是位于染色体两端不编码蛋白质的DNA片段，它封闭了染色体末端并维持了染色体的稳定性。端粒缺失会引起染色体融合或被DNA酶水解，并导致细胞的衰老及死亡，而细胞中表现出活性的端粒酶可以延长染色体末端DNA即端粒，进而延长细胞寿命。端粒酶是一种由DNA和蛋白质组成的逆转逆酶，在RNA组分中含有一段短的模板序列与端粒DNA的重复序列互补，其蛋白质组分具有逆转录酶活性，以RNA为模板催化端粒DNA的合成，并将其加到端粒的3’端，以维持端粒长度及功能。实验证明，在睾丸、卵巢中的生殖细胞，即精子、卵细胞这样的胚性细胞中可检测出端粒活性酶，而在体细胞中几乎检测不到端粒酶活性。这就可以解释为什么个体性成熟进行繁殖其后代寿命与亲代寿命一致。其意义也很清楚，保证子代端粒在遗传时不因过短而使个体寿命变短，防止种群在世代交替中灭亡。但是端粒酶分布在细胞中哪一部分呢？是像其他胞内酶一样在细胞质中吗？我认为端粒酶在细胞核中，“多利羊实验”可以证明，在多利羊实验中，供体母羊的卵细胞的细胞质是完好保存的，实验所用的去核方法是“显微操作去核法”（还有“紫外光短时间照射去核法”或“化学物质处理去核法”，这两种方法是使核DNA变性失去表达和遗传能，但这两种方法也可能使细胞中的蛋白质变性），这样可以排除端粒酶变性的可能。但是多利羊的端粒长度还是比其他同龄普通绵羊的端粒度短。再者，精子没有细胞质，但在精子中检测到端粒酶活性。所以我认为端粒酶在细胞核中，并且我还认为端粒酶是在核仁中装配的。端粒酶由两个组分组成RNA和蛋白质，这就类似于由 rRNA和蛋白质组成的核糖体。既然端粒酶直接关系到端粒的长度，进而影响到细胞甚至个体的寿命，那么在生殖性克隆动物的重组细胞中加入端粒酶，克隆动物的“早衰”的早衰现象是否可以减弱呢？应该是有可能的，但是前提是把端粒酶移入到细胞中正确的位置，而这个位置极有可能是重组细胞的细胞核。

端粒酶的正常表达为靠有性生殖繁衍后代的生物在世代交替中的寿命正常化提供了基础，但是如果端粒酶异常表达，就会使细胞获得不死性甚至引起细胞癌变。目前在许多癌细胞中发现了有活性的端粒酶。动物细胞培养是动物细胞工程中基础而重要的技术，在动物细胞传代培育至50代左右，大多数细胞会在基因的调控下凋亡，但是一些细胞会获得不死性，而继续生长。这些获得不死性的细胞系其表面粘性降低，不再有接触抑制，线粒体、核糖体增多，蛋白质的产生和DNA的复制加快，就如癌细胞一样。值得注意的是在这些癌变细胞中，端粒酶是十分活跃的。那么，本应在胚胎细胞、生殖细胞等细胞中十分活跃的端粒酶为什么会在即将凋亡的细胞中表达？那又是什么因素引发了端粒酶的表达呢？

既然端粒酶的再次表达可以引起细胞的癌变，那么在医学上可否寻求一种新的途径来治疗癌症呢？传统的癌症治疗是通过物理、化学因素来影响癌细胞中遗传物质的复制，即把癌细胞抑在细胞分裂间期的S期（此期发生DNA的复制）。这种治疗方法作用于全身的细胞，杀死癌细胞的同时正常细胞也会受到不同程度的损害。我们可以根据癌细胞中端粒酶活跃这一特征来寻求一种杀死或抑制癌细胞而对正常细胞伤害很小甚至无伤害的方法，即用一种可以抑制端粒酶活性的药物作用于癌细胞，使癌细胞中的端粒酶失活并使其像正常衰老的细胞一样在基因的调控下凋亡。如果这种治疗方法可行，那么它对正常体细胞几乎没有伤害。因为大多数体细胞已经完成分化，细胞不再分裂，胞内端粒酶已不表达，根据药物的专一性，正常细胞的代谢等活动不会受到影响。不过这种治疗方法可能会对还未进行生育的患者带来一些影响，且这种影响可能会在患者的下一代身上表现出来。如果药物通过服用或注射来治疗癌症，药物会通过机体的循环系统到达全身各处，这样药物也可抑制生殖细胞中端粒酶的活性，使患者的生殖细胞中的染色体端粒比正常情况时的生殖细胞的染色体端粒短。若患者在这种情况下生育后代，其后代可能出现如克隆动物一样的“早衰”现象。对于这种情况，我们可以把药物附载于单克隆抗体中，使药物定向作用于癌变的组织或器官，这样就能对患者的生殖细胞不会有太大影响了。